一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法，该种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的组分质量百分比为：环氧树脂15%～35%；表面活性剂5%～20%；润滑剂0.1%～0.5%；消泡剂0.1%～0.5%；去离子水55%～65%；该种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法不添加任何挥发性有机化合物，大大减轻了上浆剂制备和应用过程中对生产设备以及操作人员的危害，同时有利于环境的保护。该种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的其制备方法，采用乳化工艺简单、操作安全，对生产设备要求不高，原材料易得而且价格低廉，适宜规模化量产。

权利要求

1.一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其特征在于，其组分的质量百分比为：环氧树脂

15%～35%；表面活性剂5%～20%；润滑剂0.1%～0.5%；消泡剂0.1%～0.5%；去离子水55%～

65%；所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂；所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚型表面活性剂；所述润滑剂为聚乙二醇月桂酸酯或聚乙二醇硬脂酸酯；所述消泡剂为有机硅水性消泡剂；所述去离子水的电导率小于或等于1μs/cm；所述水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的粒径为200～400nm、表面张力为35～40mN/m；

采用以下步骤制备：

a．将质量百分比15%～35%的环氧树脂添加到烧瓶中，将烧瓶升温到85～90℃；

b．在上述环氧树脂完全软化后开启搅拌机进行搅拌，60-90分钟后烧瓶中加入质量百分比5%～20%的表面活性剂、质量百分比0.1%～0.5%的润滑剂和质量百分比0.1%～0.5%消泡剂，继续使用搅拌机搅拌120分钟以上；

c．之后将烧瓶降温到65℃并提高搅拌速率到1500转/分以上；

d．再给烧瓶中缓慢的滴加质量百分比55%～65%的去离子水，在180-240分钟内加入完毕后得到水性环氧乳液上浆剂。

2.一种权利要求1所述水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的制备方法，其特征在于，包括以下生产步骤：a．将质量百分比15%～35%的环氧树脂添加到烧瓶中，将烧瓶升温到85～90℃；

b．在上述环氧树脂完全软化后开启搅拌机进行搅拌，60-90分钟后烧瓶中加入质量百分比5%～20%的表面活性剂、质量百分比0.1%～0.5%的润滑剂和质量百分比0.1%～0.5%消泡剂，继续使用搅拌机搅拌120分钟以上；

c．之后将烧瓶降温到65℃并提高搅拌速率到1500转/分以上；

d．再给烧瓶中缓慢的滴加质量百分比55%～65%的去离子水，在180-240分钟内加入完毕后得到水性环氧乳液上浆剂。

说明书

一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种上浆剂及其制备方法，尤其涉及一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 碳纤维作为先进复合材料中的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的增强相具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、低密度、导电效率高等突出的优异性能。以日本东丽公司T300为例，高性能碳纤维的比强度是钢的13倍，比模量是钢的5倍 ，而密度仅为钢的1/4。因此，碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）自上世纪六七十年代诞生以来，迅速在航空航天，大功率风力发电机械，建筑工业，汽车工业，体育用品，导体材料，海洋耐腐蚀材料，电子产品及医疗器械等领域得到了广泛的应用并呈现出逐年递涨的趋势，被誉为21世纪的新型材料，并被美国总统战略咨询机构列为“影响美国科技发展的21项新技术”之一。

[0003] 在碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）中，增强碳纤维与基体树脂之间的真实界面是以上浆剂为主体形成的界面层。上浆剂作为碳纤维与基体树脂之间的真实界面，连接碳纤维与树脂基体，使两者形成一个承载外力的整体。碳纤维与基体树脂在界面区间的有效黏结，对载荷的有效传递起了关键性的作用，最终提高了复合材料的整体力学性能。上浆剂是高性能碳纤维必不可少的组成部分，其配方是世界各大碳纤维生产商的机密，生产商以其特有的上浆剂，提高了其碳纤维的竞争优势，如日本的东丽、东邦和三菱等大型碳纤维生产商都是基于其公司碳纤维工艺性及其与基体树脂的相容性，开发了不同的上浆剂产品。然而国内关于碳纤维上浆剂的研制和应用起步较晚，高校和研究院所取得的成果有限，且产量小、产品种类较少。随着国内碳纤维生产商的不断涌现，碳纤维上浆剂用量亦急剧增加，研发与国产碳纤维相匹配的上浆剂，不断丰富上浆剂种类，满足生产需求和市场需要，从而实现打破受制于人的局面，提高国产高性能碳纤维用上浆剂的竞争力。

[0004] 根据上浆剂使用的溶剂类型划分，可分为溶剂型上浆剂和乳液型上浆剂两大类。溶剂型上浆剂是将有机树脂如聚乙烯醇、醋酸乙烯酯聚合物、丙烯酸的聚合物、聚氨酯、环氧树脂等直接溶解在丙酮、丁酮等有机溶剂中配制而成的，操作工艺较为简单。然而，在上浆过程中溶剂较易挥发使树脂残留在导辊上，当后续纤维通过时会造成更大的损伤；另外从安全、经济、环保的角度考虑，使用大量高度易燃、易爆的挥发性有机化合物，不仅对生产设备和人体的安全构成了很大的威胁，而且会造成资源的浪费、环境的污染，目前该类上浆剂国外已极少使用。乳液型上浆剂是以树脂为主体，配以一定量的乳化剂、少量集束剂、润滑剂以及其他助剂制备而成的乳液。它一般不易在导丝辊上残留树脂，又无挥发性有机化合物污染环境，而且乳液中的表面活性剂可以大大提高碳纤维表面的被润湿性，达到提高复合材料层间剪切强度的目的，目前该类型的上浆剂为各国争相研发和应用的主流产品。

[0005] 中国专利CN 101858038 A和CN 101858037 A公开了两种碳纤维乳液上浆剂的制备方法和应用，在其操作工艺较为简单的背后不可避免的用到了挥发性有机化合物，如丙酮、甲乙酮等，对生态环境和操作人员的人身健康都构成了一定的威胁，而且其应用范围也停留在实验室阶段，不能实现规模化的应用，有一定的局限性。美国专利US005688554A和US4904818公开了两种碳纤维上浆剂的制备方法，其操作工艺较为复杂，原材料成本较高且不易于购买到，不利于规模化生产和碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）总成本的控制。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法解决现有技术中存在的使用挥发性有机化合物对生态环境和操作人员的人身健康均形成威胁，且不能实现规模化的应用，或操作工艺较为复杂，原材料成本较高、不易于购买到，不利于规模化生产和成本控制的问题。

[0007] 本发明的技术解决方案是：

[0008] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂15%～35%；表面活性剂5%～20%；润滑剂0.1%～0.5%；消泡剂0.1%～0.5%；去离子水55%～65%。

[0009] 进一步改进在于：所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂。

[0010] 进一步改进在于：所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚型表面活性剂。

[0011] 进一步改进在于：所述润滑剂为聚乙二醇月桂酸酯或聚乙二醇硬脂酸酯。

[0012] 进一步改进在于：所述消泡剂为有机硅水性消泡剂。

[0013] 进一步改进在于：所述去离子水的电导率小于或等于1μs/cm。

[0014] 进一步改进在于：所述水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的粒径为200～400nm、表面张力为35～40mN/m。

[0015] 一种所述水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的制备方法，包括以下生产步骤：

[0016] a．将质量百分比15%～35%的环氧树脂添加到烧瓶中，将烧瓶升温到85～90℃；

[0017] b．在上述环氧树脂完全软化后开启搅拌机进行搅拌，60-90分钟后烧瓶中加入质量百分比5%～20%的表面活性剂、质量百分比0.1%～0.5%的润滑剂和质量百分比0.1%～0.5%消泡剂，继续使用搅拌机搅拌120分钟以上；

[0018] c．之后将烧瓶降温到65℃并提高搅拌速率到1500转/分以上；

[0019] d．再给烧瓶中缓慢的滴加质量百分比55%～65%的去离子水，在180-240分钟内加入完毕后得到水性环氧乳液上浆剂。

[0020] 进一步改进在于：所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚型表面活性剂，所述润滑剂为聚乙二醇月桂酸酯或聚乙二醇硬脂酸酯，所述消泡剂为有机硅水性消泡剂。

[0021] 本发明的有益效果是：

[0022] 1.本发明一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法不添加任何挥发性有机化合物，大大减轻了上浆剂制备和应用过程中对生产设备以及操作人员的危害，同时有利于环境的保护。

[0023] 2.该种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的其制备方法，采用乳化工艺简单、操作安全，对生产设备要求不高，原材料易得而且价格低廉，适宜规模化量产。

[0024] 3.使用本发明的上浆剂上浆的碳纤维产品适合3K、6K和12K等不同纱束规格的碳纤维产品，具有集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好等突出优点。

[0025] 4.本发明的产品在应用方面与大型碳纤维连续生产线配套使用，减少了小型等比例缩小的上浆装置带来的误差，更贴近于规模化量产，得到的是第一手的研究数据，利于新型上浆剂产品工艺的改进和量产。

附图说明

[0026] 图1是碳纤维未使用本发明一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的SEM图像；

[0027] 图2是碳纤维使用本发明一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂后的SEM图像。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

[0029] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂15%～35%；表面活性剂5%～20%；润滑剂0.1%～0.5%；消泡剂0.1%～0.5%；去离子水55%～65%。

[0030] 一种所述水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的制备方法，包括以下生产步骤：

[0031] a．将质量百分比15%～35%的环氧树脂添加到烧瓶中，将烧瓶升温到85～90℃；

[0032] b．在上述环氧树脂完全软化后开启搅拌机进行搅拌，60-90分钟后烧瓶中加入质量百分比5%～20%的表面活性剂、质量百分比0.1%～0.5%的润滑剂和质量百分比0.1%～0.5%消泡剂，继续使用搅拌机搅拌120分钟以上；

[0033] c．之后将烧瓶降温到65℃并提高搅拌速率到1500转/分以上；

[0034] d．再给烧瓶中缓慢的滴加质量百分比55%～65%的去离子水，在180-240分钟内加入完毕后得到水性环氧乳液上浆剂。

[0035] 实施例1

[0036] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂35%；表面活性剂5%；润滑剂0.5%；消泡剂0.5%；去离子水60%。

[0037] 上浆剂制备：将240g 环氧树脂E51和360g 双酚A型环氧树脂E20置于装有搅拌机、温度计和去离子水通入管的3000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待双酚A型环氧树脂E20完全软化后开启搅拌，60分钟后加入32g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-40、32g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-50、8.63g 聚乙二醇硬脂酸酯和8.63g 有机硅水性消泡剂BYK-022，继续搅拌120分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到1500转/分，缓慢的滴加入1000g 去离子水，在180分钟内加入完毕，得到水性环氧乳液上浆剂1665.2g，测试其粒径为289±5.251nm，表面张力为37.42mN/m，有效成分含量为39.71%。

[0038] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例1中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数1.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为3K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为100cm，浸胶深度为10cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0039] 实施例2

[0040] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂35%；表面活性剂5%；润滑剂0.49%；消泡剂0.49%；去离子水59%。

[0041] 上浆剂制备：称取600g DOW-331和600g DOW-661置于装有机械搅拌机、温度计和去离子水通入管的5000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待DOW-661完全软化后开启搅拌，80分钟后加入60g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-40、60g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-50、16.53g 聚乙二醇硬脂酸酯和16.53g 有机硅水性消泡剂，继续搅拌150分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到1600转/分，缓慢的滴加入2000g 去离子水，在240分钟内加入完毕为宜，得到水性环氧乳液上浆剂3361.4g，测试其粒径为268±4.815nm，表面张力为37.11mN/m，有效成分含量为
39.20%。

[0042] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例2中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数2.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为6K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为110cm，浸胶深度为12 cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0043] 实施例3

[0044] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂35%；表面活性剂5%；润滑剂0.5%；消泡剂0.5%；去离子水60%。

[0045] 上浆剂制备：称取260g E54和340g E22置于装有机械搅拌机、温度计和去离子水通入管的3000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待E22完全软化后开启搅拌，60分钟后加入30g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-40、34g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-50、8.63g 聚乙二醇硬脂酸酯和
8.63g BYK-025，继续搅拌120分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到1700转/分，缓慢的滴加入1000g 去离子水，在180分钟内加入完毕为宜，得到水性环氧乳液上浆剂1670.5g，测试其粒径为272±4.210nm，表面张力为36.22mN/m，有效成分含量为40.03%。

[0046] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例3中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数3.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为6K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为110cm，浸胶深度为12 cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0047] 实施例4

[0048] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂35%；表面活性剂5%；润滑剂0.49%；消泡剂0.49%；去离子水59%。

[0049] 上浆剂制备：称取500g DOW-331和700g DOW-661置于装有机械搅拌机、温度计和去离子水通入管的5000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待DOW-661完全软化后开启搅拌，90分钟后加入56g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-40、64g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-50、16.53g 聚乙二醇月桂酸酯和16.53g BYK-018，继续搅拌160分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到1800转/分，缓慢的滴加入2000g 去离子水，在240分钟内加入完毕为宜，得到水性环氧乳液上浆剂
3364.0g，测试其粒径为275±5.330nm，表面张力为38.97mN/m，有效成分含量为39.12%。

[0050] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例4中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数3.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为12K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为120cm，浸胶深度为15 cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0051] 实施例5

[0052] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂35%；表面活性剂5%；润滑剂0.5%；消泡剂0.5%；去离子水60%。

[0053] 上浆剂制备：称取400g 环氧树脂和200g E20置于装有机械搅拌机、温度计和去离子水通入管的5000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待E20完全软化后开启搅拌，60分钟后加入32g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-40、32g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-50、8.63g 聚乙二醇硬脂酸酯和8.63g 有机硅水性消泡剂，继续搅拌120分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到2000转/分，缓慢的滴加入1000g 去离子水，在180分钟内加入完毕为宜，得到水性环氧乳液上浆剂1668.9g，测试其粒径为351±7.411nm，表面张力为38.68mN/m，有效成分含量为39.55%。

[0054] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例5中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数2.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为3K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为100cm，浸胶深度为10 cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0055] 实施例6

[0056] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂15%；表面活性剂20%；润滑剂0.1%；消泡剂0.1%；去离子水65%。

[0057] 上浆剂制备：称取250g DOW-331和310g DOW-661置于装有机械搅拌机、温度计和去离子水通入管的5000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待DOW-661完全软化后开启搅拌，80分钟后加入300g烷基酚聚氧乙烯醚NP-20、370g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-50、3.36g 聚乙二醇月桂酸酯和3.36g 有机硅水性消泡剂，继续搅拌150分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到
1500转/分，缓慢的滴加入2100g 去离子水，在240分钟内加入完毕为宜，得到水性环氧乳液上浆剂3359.3g，测试其粒径为318±6.650nm，表面张力为38.53mN/m，有效成分含量为
39.44%。

[0058] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例1中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数2.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为6K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为110cm，浸胶深度为12 cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0059] 实施例7

[0060] 一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂，其组分的质量百分比为：环氧树脂30%；表面活性剂14%；润滑剂0.33%；消泡剂0.33%；去离子水55%。

[0061] 上浆剂制备：称取200g 环氧树脂和300g E20置于装有机械搅拌机、温度计和去离子水通入管的3000mL四口烧瓶中，升温到85～90℃，待E20完全软化后开启搅拌，60分钟后加入12g烷基酚聚氧乙烯醚NP-20、12g 烷基酚聚氧乙烯醚NP-40、5.42g 聚乙二醇月桂酸酯和5.42g BYK-025，继续搅拌120分钟，降温到65℃并提高搅拌速率到1900转/分，缓慢的滴加入910g 去离子水，在180分钟内加入完毕为宜，得到水性环氧乳液上浆剂1659.2g，测试其粒径为382.14±8.520nm，表面张力为38.66 mN/m，有效成分含量为38.78%。

[0062] 上浆剂应用：将一定比例去离子水加入到适当大小的容器中并控制温度为25～35℃，在不断搅拌下缓慢的加入实施例7中制得的上浆剂产品，具体用量以稀释到质量分数1.5%为宜，然后结合大型碳纤维连续生产线使用自制的小型上浆装置给纱束规格为3K的碳纤维均匀上浆，该上浆装置浸胶长度为110cm，浸胶深度为12cm，最后在120～150℃的干燥塔中干燥5～9分钟，在收丝机处收取碳纤维，整个过程控制生产线的线速度为6～10m/min，得到了集束性良好，表面毛丝数较少以及柔韧性好的碳纤维产品，有利于碳纤维的深加工。

[0063] 实施例的有益效果是：实施例1、2、3、4、5、6、7的一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂及其制备方法不添加任何挥发性有机化合物，大大减轻了上浆剂制备和应用过程中对生产设备以及操作人员的危害，同时有利于环境的保护。如图1和图2所示，碳纤维未使用本发明一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的SEM图像和碳纤维使用本发明一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂后的SEM图像对比可以看出，使用本发明一种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂后的碳纤维产品表面毛丝数较少且柔韧性良好。该种水性环氧乳液型碳纤维上浆剂的其制备方法，采用乳化工艺简单、操作安全，对生产设备要求不高，原材料易得而且价格低廉，适宜规模化量产。